在電子行業，綠色設計（Green Design）是現今業界主要的關注重點。除了降低能耗，業界對在連接器外殼中使用某些鹵素作為阻燃劑的作法，也有越來越多的限制。支援下一代綠色設計的記憶體必需滿足提高性能、增加功率密度、改進可靠性、降低功耗並避免使用有害物質等諸多要求，而這也就是今年市場推出最新一代SDRAM電腦記憶體DDR4的背景情況。

本文將探討各種不含鹵素（halogen-free）的DDR4插座的開發工作，並且根據嚴格的JEDEC DDR4規範和IEC 61249-2無鹵素依從性，討論了各種不同的外殼材料選項。我們檢測了各種高性能聚合物，比如液晶聚合物（liquid crystal polymer, LCP）、聚醯胺4T和不同的聚鄰苯二甲醯胺（polyphthalamide, PPA），並且重點探討與關鍵參數相關的特性，比如連接器可靠性、針腳滯留力（retention force）、翹曲，以及匹配PCB的線性熱膨脹係數（CLTE）等。

圖一a

圖一b : 根據各種選項總結的DDR要求和材料特性

圖一 a所示為同時用於SMT和超低側高（ultra-low-profile, ULP） DDR4連接器測試的材料。對於DDR4應用，回流焊接期間的零起泡和優秀的共面性（co-planarity）是兩個關鍵的限定子 （qualifier；簡寫Q），這兩項設計要求外殼材料具有最高的熱性能和機械性能。圖一b所示為PTH和壓入配合（press-fit）設計的相同視圖。關鍵的限定子就是波峰焊期間不起泡和出色的共面性。其它較不重要的設計參數就是所謂的差異要求 （differentiator；簡寫D）。

DDR4連接器端接方法

端接（termination）是指用來連接一個端子和一個導體的方法，良好的端接可確保穩固的電氣接觸，而氣密連接則可防止腐蝕。DDR4連接器的常用端接方法有：

‧ 表面黏著技術（SMT）（這是設計趨勢）

‧ 針腳通孔（PTH）（目前的主流技術）

‧ 通孔回流焊（Pin in Paste）（主要用於整合式全功能PC）

‧ 壓入配合（主要用於電信）

圖二 : DDR4設計中的多種組裝技術

連接器設計細節上的差異可以直接引起外殼材料的選擇問題。例如，通孔回流焊（Pin-In-Paste）和表面黏著（SMT）設計必須採用極高溫的塑膠，因為它們在裝配期間必須經受回流焊步驟。這種完全符合RoHS標準要求的連接器將會暴露在攝氏260~280度範圍的無鉛 （lead-free）安裝溫度。連接器外殼選擇材料必須具有極端的機械和熱性能，以承受約10秒的峰值溫度。而且，材料必須在低吸濕性和高表面張力之間取得適當的平衡，這樣可避免高溫紅外回流焊（IR-reflow）製程期間形成的所謂的氣泡。

以上要求對於PTH設計來說則較為不重要，因為在PTH設計中，PCB在裝配期間可充當熱遮罩使用。這類連接器外殼的有效暴露溫度大約比回流焊的低攝氏15度。

通孔回流焊（Pin-in-paste）基本上是回流焊和引腳通孔（PTH）連接器設計的結合，但實際裝配仍然是在回流焊的製程中進行。壓入配合裝配期間不會暴露在這樣的溫度下，因此原則上可以使用各種低溫塑膠。然而，由於大多數OEM廠商喜歡在所有設計中都採用DDR連接器等元件，所以最佳的成本和設計，以及供應鏈靈活性都不得不取決於是否選擇高溫塑膠。

連接器翹曲

當連接器被焊接到PCB上而失去共面性時，就會發生連接器翹曲 （warpage） 的情況。這種翹曲是一種複雜的現象，受各種參數的影響，比如用於連接器外殼的材料熱變形溫度（heat distortion temperature；HDT）、塑膠殼體和PCB之間比較熱膨脹係數（comparetive thermal expansion；CTE）的不同，以及外殼材料的流動性，以及外殼注塑成型（injection molding）期間產生的相關應力。

線性熱膨脹係數（CLTE）

為了在FR4或最新的無鹵素（halogen-free）PCB上達到良好的連接器共面性，必須儘量使線路板和連接器外殼材料間的CLTE可以相互匹配。另外，需要結合負載下的高硬度和高偏轉溫度（high deflection temperature；HDT），確保回流焊後低翹曲。

流動性

為了生產高品質的DDR4連接器，同時保持OEM廠商可承擔的成本，製造商所尋找外殼材料的流動性需盡可能得大，並滿足其它關鍵的設計要求，如共面性。使用高流動性材料在注塑成型製程中填充了數量大的模腔（cavity）。而且，通過注塑機的單一注射，可以生產出更多的外殼，從而降低製造成本。同時，使用高流動性材料意味著外殼的應力耐受較小，因為連接器裝配期間在較高暴露溫度下的應力較小。結果，連接器可能會翹曲，而特別地，兩端的訊號針腳可能失去與PCB的電氣連接，從而產生的維修成本將遠遠超過製造成本。

傳統上，當注塑廠商或連接器製造商尋求高流動性材料時，液晶聚合物（LCP）通常是他們首選的材料。

圖三 : 各種絕緣材料的流動性

圖三所示是為DDR4連接器測試的各種材料的流動長度（flow length）。流動性越高，填充模腔越容易，並且可以在注塑期間使用更多的模腔。紅色的條狀線表示用於PTH外殼的8模腔設計的最低流動性水準，以及用於ULP或SMT外殼的4模腔設計的最低流動性水準。藍色條狀線以下的材料具有極小的餘量，無法實現高模腔模具設計，或者在大量生產期間帶來重大的處理問題。從流動性的角度來看，LCP表現最佳的性能，其次是PA46、PA66和PA4T。

雖然LCP具有出色的流動性，並且能夠達到DDR3及前代產品可接受的要求，但從DDR4開始，所有的LCP材料都深受翹曲問題的困擾，原因是DDR4連接器具有顯著提高的設計複雜性、更薄的殼壁、更窄的寬度和更矮的高度，以及更多的針腳數目。

圖四顯示DDR4連接器在裝配前後的翹曲，上面的是LCP材料；而下面的是PA4T和PA46材料。在注塑時，兩種材料所產生的翹曲都差不多。然而，在組裝到PCB上後，LCP外殼表現出了明顯的翹曲，在翹曲方向上有變化，使設計中的任何預測和翹曲校正幾乎不可能實現。針對此一問題，LCP材料供應商現在可提供較新的LCP/PPS混合材料，其中PPS的更高硬度可改善某些彎曲，並已用於DDR3，但仍不能滿足DDR4所要求的共面性等級。

圖四 : 焊接到PCB上的DDR連接器的翹曲影響

圖四下面的部分是採用PA4T或PA46材料的DDR4外殼，裝配後的翹曲顯著降低，遠低於0.1 mm規範。此外，兩種聚醯胺都沒有顯示出翹曲方向的任何變化，能夠實現良好的翹曲預測和校正。

熱變形溫度

HDT在DDR4連接器的可靠性上還具有非常重要的作用。在裝配到PCB上時，過低的HDT會導致連接器的側壁輕微塌陷。此塌陷將增加所需要的記憶體模組插拔力。在插座的插拔期間，連接器的薄弱部分可能會出現裂縫；或插撥次數會大幅減少。圖六所示為連接器側壁的此類塌陷。

圖五 : 不同聚合物的HDT-A（1.8MPa）

需要達到藍色部分的溫度範圍，以確保低翹曲和避免連接器側壁的塌陷。

要求塑膠材料具有高HDT，只有PA46 和PA4T材料具有保持高可靠性所需的高溫度範圍。

針腳滯留力

針腳滯留力將端子固定在外殼的腔體中。這可防止端子脫出或端子變鬆。通常，稱為柄腳（tang）的鎖定裝置使用類似彈簧的壓力，將端子固定在外殼壁上。“對外殼的接觸滯留力”規範描述了拔出正確安裝端子所需要的力量。

圖六 : 當絕緣材料的HDT過低時，DDR4連接器在焊接期間發生側壁塌陷

間距大小從DDR3的1mm縮減到DDR4的0.85 mm，增加了對於針腳滯留力的挑戰（DDR4要求至少0.3kgf/針腳）。因為記憶體連接器規定了大約25次的插拔次數（請參見圖七左邊），在現場使用中，對於連接器和整個線路板的品質和可靠性，較大的針腳滯留力是很重要的。在記憶體模組拔出時，連接器外殼必須牢固地附著在針腳上。過低的針腳滯留力會帶來致命的故障，使得產品要送回修理，這不僅代價昂貴，還會損害OEM廠商的商譽。特別是在電信領域或金融領域，這樣的故障是完全不可接受的，製造商必須設計具有5至10年使用壽命的產品。

圖七 : 過低的針腳滯留力可能會導致致命的故障

針腳滯留力在很大程度上取決於所用外殼材料的類型，而且也深受連接器和引腳設計的影響。例如，對於超低側高（ultra-low-profile, ULP）設計，由於設計具有較大的補償，因此可以讓它有較廣泛的針腳滯留力材料容差（material tolerance）。在針腳通孔設計中靈活性較小，正確地選擇塑膠材料成為連接器品質和可靠性的關鍵因素。

圖八 : 不同絕緣材料在焊接前後的針腳滯留力，用於SMT和ULP設計的材料（左）和用於PTH及壓入配合設計的材料（右）

圖八顯示了ULP和SMT設計中PA4T的突出性能，在焊接前後提供了盡可能大的針腳滯留力。對於PTH連接器的針腳滯留力，PA46材料被發現是同類最佳的，在焊接後還能保持所要求的0.3kgf/針腳。其它材料如PAs （PA10T、PA6T/66）或PA66，可能在連接器組裝期間提供足夠的滯留力，但在焊接後卻大大減小，低於規定的0.3 kgf/針腳。使用這類材料，品質和可靠性會受到影響，並存在著裝配期間的高返修風險，或者多次使用的回修風險。將這些材料用於DDR4連接器並不能獲得高成本性能比。

結論

聚醯胺 PA46和PA4T是目前用於DDR1到DDR3設計的參考材料，要成功地開發DDR4設計不僅要求要深入地瞭解應用和材料，而且連接器製造商、材料供應商和主要的OEM廠商都必須密切地合作。

DDR4的挑戰性設計以及來自先前DDR3技術的各種改變，大大地提高了對於機械強度、針腳滯留力和流動性的應用要求。由於PA46具有出色的流動性和機械特性組合，所以是最適合PTH和壓入配合設計的材料。PA4T具有大約高出25°C的熔融點，更高的表面張力和更低的吸濕性，被認為是SMT和ULP設計的首選材料。

翹曲已經是伺服器內使用DDR3連接器的關鍵挑戰，隨著SMT、ULP和VLP設計的使用增加，每個伺服器電路板上的DDR插座數目不斷增加，翹曲已經變得是愈來愈有挑戰性了。PA46 和PA4T材料具有突出的共面性，顯著地降低了代價昂貴的PCB回修和返工風險，高翹曲性和低機械強度使得LCP無法符合DDR4技術應用的要求。

電子產業愈來愈重視可持續性發展，聚焦於避免使用有害物質，不僅要符合歐盟的RoHS 指令2011/65/ EU，而且還要完全符合IEC61240-2-21的無鹵素要求。聚醯胺PA46和PA4T可確保完全符合無鹵素阻燃劑的要求，從而避免了連接器生產商或OEM廠商對合格性進行進一步重新驗證的需求。（本文作者為Molex公司Dr. S. Hubert Leni, M. Soh, P.W. Kiong；DSM 工程塑料 - S.H. Quah, S.W. Ong, J. Krijgsman, J. Hsieh, Dr. T.Sidiki）